基于D2D的中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜述

李寧

摘要：在信息爆炸的時(shí)代，蜂窩網(wǎng)絡(luò)似乎不能再滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的通訊需求。而基于SG的關(guān)鍵技術(shù)之一D2D的中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)相較于傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)可以大大提高流量密度、設(shè)備數(shù)目和用戶體驗(yàn)速率。本文介紹了D2D在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，著重分析其相較于傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)在性能方面的改善，同時(shí)提出不足并提供解決方案。

關(guān)鍵詞：D2D、中繼、蜂窩網(wǎng)絡(luò)、流量增長(zhǎng)、容量、性能改善

【中圖分類(lèi)號(hào)】TN929.5

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】2236-1879（2018）13-0135-01

引言：

隨著無(wú)線通信的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)不能滿足人們的需求。近年來(lái)，全球用戶移動(dòng)數(shù)據(jù)流量出現(xiàn)了爆炸式增長(zhǎng)，僅在2015年增長(zhǎng)了74%，在此基礎(chǔ)上未來(lái)的五年內(nèi)將變?yōu)?5年的9倍，而到了20年代，總流量將達(dá)到15年的100倍。另外，無(wú)線頻譜資源也日益緊張，頻譜資源匱乏已成為制約無(wú)線通信發(fā)展的重要因素。為應(yīng)對(duì)將來(lái)數(shù)據(jù)流量和連接設(shè)備爆炸式增長(zhǎng)及頻譜資源的使用問(wèn)題，對(duì)SG技術(shù)研究迫在眉睫。未來(lái)，應(yīng)用于5G網(wǎng)絡(luò)中的D2D蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將基本解決能量效率，無(wú)線系統(tǒng)容量，頻譜資源，高成本等方面的問(wèn)題。

1.D2D中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)內(nèi)涵

1.1蜂窩網(wǎng)絡(luò)。蜂窩網(wǎng)絡(luò)的提出是為了解決移動(dòng)通信中系統(tǒng)容量和頻譜資源不足的問(wèn)題，將服務(wù)區(qū)分為若干個(gè)小區(qū)，由于每個(gè)小區(qū)內(nèi)的信號(hào)都是圓形覆蓋，不可避免地會(huì)發(fā)生信號(hào)重疊，而結(jié)合數(shù)學(xué)推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)正六邊形的使用能得到最小的重疊面積，由此形成了形狀酷似“蜂窩”的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，一定距離的不同小區(qū)可以使用同一頻段信號(hào)，使有限的頻譜資源得到了充分的應(yīng)用;在實(shí)際應(yīng)用中，可以通對(duì)小區(qū)進(jìn)行有限次數(shù)的分裂，可以進(jìn)一步增加系統(tǒng)可容納的用戶數(shù)量并提高對(duì)頻譜資源的有效利用。

1.2終端直通中繼技術(shù)（D2D）。D2D（Device to Device）中繼通信，將通信終端的一方作為中繼，可以從上述各方面有效提升蜂窩網(wǎng)絡(luò)的性能。同時(shí)，D2D通信在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中的部署也不需要花費(fèi)額外的安裝費(fèi)用，相當(dāng)于固定中繼節(jié)點(diǎn)更經(jīng)濟(jì)、靈活。

1.3D2D蜂窩網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。假設(shè)一個(gè)小區(qū)中有數(shù)量為M的用戶設(shè)備，且小區(qū)的的所有蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻譜資源被統(tǒng)一劃分為N組資源塊，這N組資源塊就構(gòu)成了一組信道。當(dāng)一個(gè)用戶想要與核心網(wǎng)中的應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行通信時(shí)，首先要獲取一些資源塊作為通信頻段，該通信頻段可應(yīng)用于用戶設(shè)備到基站eNB的上行信道以及從eNB到用戶設(shè)備的下行信道。這樣的用戶設(shè)備被稱為目標(biāo)用戶設(shè)備，不過(guò)當(dāng)資源塊的數(shù)量受限時(shí)，目標(biāo)用戶設(shè)備不一定能成功獲取信道。

在D2D中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)信道雖然只能被eNB劃分給一個(gè)目標(biāo)用戶設(shè)備，但卻可以被充當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)的用戶設(shè)備重新使用。在圖2-1中，eNB可以同時(shí)向UEi、UEj和UEk發(fā)送數(shù)據(jù)，此時(shí)這三個(gè)用戶設(shè)備都被分配了自己的信道，但由于信道數(shù)量有限，UEn、UEh、UEe、UEd和UEe則沒(méi)有分配到信道。但是這些用戶中，UEn、UEb和UEe選擇成為了中繼節(jié)點(diǎn)，因此他們能夠和已有信道的用戶共享頻譜資源，同時(shí)能夠接收和傳輸數(shù)據(jù)。

2.蜂窩網(wǎng)絡(luò)性能改善

2.1系統(tǒng)容量。由于D2D通信，每個(gè)中間點(diǎn)可服務(wù)的用戶量為j，則對(duì)n層中繼，基站的總用戶量為，近指數(shù)增長(zhǎng)，相對(duì)于傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)有更大的系統(tǒng)容量。這就為未來(lái)爆炸式增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流量和設(shè)備數(shù)量提供可靠保障。

2.2建設(shè)成本。以用戶設(shè)備為中繼的蜂窩網(wǎng)絡(luò)在相同的頻譜資源和更高質(zhì)量的服務(wù)（如高數(shù)據(jù)速率）下的用戶數(shù)量有著顯著提高。不妨假設(shè)某些實(shí)際場(chǎng)景，如世界杯賽場(chǎng)，大規(guī)模的人群聚集必然會(huì)影響蜂窩網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，當(dāng)然，在此場(chǎng)景中，可以在賽場(chǎng)上設(shè)置固定中繼節(jié)點(diǎn)，從而擴(kuò)大服務(wù)范圍，但這從費(fèi)用和效率角度看來(lái)都不是最優(yōu)的解決方法，考慮到當(dāng)下的一些數(shù)據(jù)流量使用特點(diǎn)，往往發(fā)生在一些人群聚集的地點(diǎn)，但就聚集地而言具有不確定性，即固定中繼節(jié)點(diǎn)方案是不現(xiàn)實(shí)的。但是D2D通信的引入可以解決數(shù)據(jù)使用在空間上的不確定性問(wèn)題。當(dāng)數(shù)據(jù)流量使用過(guò)大時(shí)可以增加設(shè)備中繼節(jié)點(diǎn)，以減少固定中繼的節(jié)點(diǎn)的設(shè)置。因此，這樣可以大大減少建設(shè)的成本。

2.3頻譜共用。隨著近年來(lái)無(wú)線通訊快速發(fā)展，可用的無(wú)線通訊頻譜資源屬于稀缺資源。因此，不能單純的通過(guò)小區(qū)分裂來(lái)應(yīng)對(duì)增長(zhǎng)的用戶數(shù)量。而在D2D中繼網(wǎng)絡(luò)中，頻譜資源能夠得到最大化的利用。

2.4覆蓋率和能量效率。通過(guò)前面的分析，D2D中繼通信對(duì)于蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量和頻譜資源利用有著特殊的意義，自然而然地，其對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)在覆蓋范圍或者覆蓋率方面的效果就成了另一個(gè)關(guān)注點(diǎn)。顯然，D2D中繼通信，尤其是多跳D2D中繼通信，能夠有效地提升蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍或者說(shuō)覆蓋率。同時(shí)MIMO系統(tǒng)為蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信提供了最大可能的能量效率，而隨著D2D通信被社會(huì)認(rèn)可和進(jìn)一步研究，由于一個(gè)用戶設(shè)備可以幫助其他多個(gè)用戶設(shè)備交換信息，能量效率也會(huì)相應(yīng)提高。

3.面臨問(wèn)題與挑戰(zhàn)

3.1用戶信息安全。信息安全問(wèn)題已經(jīng)越來(lái)越引起人們注意，D2D中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)中將用戶的通信終端作為移動(dòng)中繼點(diǎn)時(shí)就不得不考慮用戶的信息安全問(wèn)題：用戶的個(gè)人隱私是否會(huì)泄露、運(yùn)營(yíng)商有沒(méi)有合理的政策防止可能出現(xiàn)的信息安全問(wèn)題并鼓勵(lì)用戶參與進(jìn)來(lái)等等。

3.2移動(dòng)設(shè)備需求。用戶設(shè)備作為中繼節(jié)點(diǎn)必然會(huì)導(dǎo)致功率的提升，不可避免地對(duì)電池壽命、用戶體驗(yàn)等造成一定的影響，這也是影響系統(tǒng)推廣的另一方面原因，同樣需要政策的支持和技術(shù)的突破。

總結(jié)：

綜上所述，基于D2D的中繼輔助通信蜂窩網(wǎng)絡(luò)各方面性能都能得到很好的改善，不難看出，這一技術(shù)在當(dāng)今以及SG時(shí)代都將發(fā)揮著獨(dú)特而關(guān)鍵的作用，適應(yīng)多種移動(dòng)設(shè)備和業(yè)務(wù)服務(wù)的需求，雖然依舊面臨著很多挑戰(zhàn)，但相信隨著技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)會(huì)越來(lái)越完善并發(fā)揮著其在移動(dòng)通信中不可替代的作用。

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